110 kV电缆中间接头局部放电高频电磁检测与优化

张义龙，李立学，郑益慧，王昕，于建友，杨景波

(1.上海交通大学电工与电子技术中心，上海 200240;2.国网吉林省电力公司白山供电公司，吉林 白山 134300)

110 kV电缆中间接头局部放电高频电磁检测与优化

张义龙1，李立学1，郑益慧1，王昕1，于建友2，杨景波2

(1.上海交通大学电工与电子技术中心，上海 200240;2.国网吉林省电力公司白山供电公司，吉林 白山 134300)

电缆中间接头局部放电是导致交联聚乙烯(XLPE)电力电缆事故的主要原因，因此必须进行电缆中间接头局部放电的研究。电缆接头屏蔽层对高频电磁波信号有屏蔽作用，高频电磁波信号在空间传播过程中还会产生较大衰减，针对用于三相交叉互联的电缆中间接头屏蔽层是断开的这一特征，进行了电缆接头局部放电的建模、仿真和现场检测。首先，利用高频结构仿真器(High Frequency Structure Simulator，简称HFSS)建立了电缆接头的三维仿真模型，分析了在电缆接头内部发生局部放电时，高频电磁波信号通过屏蔽层断开处辐射出来的强度及其分布特点，验证了采用外置式微带传感器进行电缆接头局部放电检测的可行性。然后设置了电磁场探测线，生成了此线上不同位置处的电磁场变化曲线，分析了不同曲线的幅值情况，得到了信号最强的传感器最佳安装位置。最后，根据微带贴片天线理论，制作了外置式微带传感器，在某电缆线路投运前的交流耐压试验中进行了电磁波检测，验证了仿真结果。

电缆中间接头;局部放电;检测位置优化;高频结构仿真器;电磁仿真;电磁检测

0 引言

交联聚乙烯(XLPE)电缆具有敷设容易、耐高温、绝缘性能优良和运行维护简便等特点，在配电网中被广泛应用［1－3］。但随着运行年限的增长，由XLPE电缆及接头绝缘损坏等问题引起的电力故障和事故也在不断增加［4－5］，因此，电网运行单位对运行中的XLPE电缆绝缘劣化状况一直重点关注［6－7］。

目前，中、高压XLPE电缆接头主要为硅橡胶绝缘预制型电缆接头［8］。预制型电缆接头在生产和安装的过程中，存在接头内混入杂质或半导电层尖端突起等现象，因而引起电场集中或绝缘缺陷［9］，在长期电压作用下易导致绝缘故障。因此，电缆中间接头是高压电缆绝缘的薄弱环节和典型运行故障部位［10］。而局部放电则是造成XLPE电力电缆绝缘破坏的主要原因［11］;另一方面XLPE电力电缆的绝缘状况与其局部放电量密切相关，局部放电量的变化预示着可能存在着影响电缆稳定运行的缺陷［12］，因而能够较为全面、灵敏地反映电气设备的绝缘状况［13］。目前国内外专家学者以及IEC、IEEE、CIGRE等国际权威电力组织一致推荐局部放电试验作为评价XLPE电力电缆绝缘状况的最佳方法［14－15］。因此，开展电缆中间接头的局部放电检测的研究，对于维护电力电缆安全稳定运行具有重要的理论意义及实用价值。

对于局部放电检测，传感器有外置式和内置式两种。内置式传感器需要把传感器置入在电缆中间接头中，这需要在敷设电缆时安装实现，而对于已经投入运行的电缆很难实施。并且，传感器置入电缆中间接头内，电缆中间接头的电场分布会受到影响，如果安装位置不当反而会使电缆中间接头发生故障［16］。而对于外置式传感器，由于电缆及其接头屏蔽层的作用，信号很难辐射出来。虽然可以通过电缆接头的接地线向外辐射，但是信号衰减严重。经研究发现，用于三相交叉互联的电缆中间接头的屏蔽层是断开的，因此电磁信号可能通过屏蔽层断开处辐射出来。但高频电磁波信号在空气中传播时衰减迅速，传感器安装位置不同接收到信号的大小有很大不同。因此研究接头外辐射出的电磁场信号的分布特点，确定接头外信号最强处，有利于更准确的现场测量。

因此，本文首先利用电磁仿真软件HFSS对上述电缆接头建立了仿真计算的三维模型，分析了在电缆接头内部发生局部放电时，激发的电磁波信号的强度及其分布特点。不但检验了电磁信号可以通过屏蔽层断开处辐射出来，而且确定了接头外信号最强处，为外置式高频微带传感器安装位置提供了指导。然后制作了外置式微带传感器，利用其在某电缆线路投运前的交流耐压试验中进行了电磁波检测。现场检测验证了仿真结果:电缆内部局部放电产生的电磁波可以通过电缆接头屏蔽层断开处辐射出来;在电缆屏蔽层断开处、靠近接地线的一侧，辐射出来的局部放电信号最强。

1 高频微带传感器

为接收局部放电产生的高频电磁信号，需研制合适的传感器。合理设计传感器，保证高的灵敏度和宽的接收频带是实现电缆局部放电检测的关键。本文采用的传感器基于微带贴片天线理论。微带天线应用于100MHz至100GHz的宽广频域范围内，具有体积小、重量轻和剖面薄等特点。微带天线在卫星通信、遥感等领域已得到广泛应用。近年来，在GIS及电力电缆局部放电检测中也得到越来越多的应用。

微带天线是将导体薄片贴加在带有导体接地板的介质基片上而形成的天线。在接地板与导体贴片之间能够激励起电磁场，并通过二者间的缝隙向外辐射。当导体贴片为圆形、圆环形或矩形薄片等规则形状的面积单元时，该种微带天线被称作微带贴片天线，其结构如图1所示。

下面以图1中的矩形微带天线为例，讲述微带贴片天线的基本工作原理［17］。贴片的尺寸为a*b，介质基片的厚度为h，h≪λ0，λ0为自由空间波长。微带贴片可看作为宽为a长为b的一段微带传输线，因其终端a边处呈现开路，将形成电压腹波。一般取b≈0.5λm，λm为微带线上波长，于是在另一端也呈电压腹波。此时贴片与接地板间的电场分布如图2所示。

图1 微带贴片天线结构

图2 电场分布图

由图2可知，电场可以分解为水平于接地板方向及垂直于接地板方向。两开路端的垂直分量的方向相反，水平分量的方向相同。因此，电场的水平分量产生的场相叠加，垂直分量所产生的场相抵消。所以，矩形微带天线的主要辐射产生于沿两条a边的缝隙，这两条边称作辐射边。研制的基于微带贴片天线的传感器如图3所示。

图3 基于微带贴片天线的传感器

2 仿真分析

2.1 电缆接头三维仿真模型构建

为了有效分析局部放电电磁脉冲的传播特性，需要构造电缆中间接头三维仿真模型。通过收集国内电缆附件公司的资料及相关标准，对其中典型的电缆中间接头构建了三维仿真模型，如图4所示。

图4 电缆中间接头的三维仿真模型

其中，电缆由铜导体、内外半导电层、绝缘、金属护套组成。电缆中间接头主要包括金属连接套管、半导电屏蔽、橡胶应力锥、硅橡胶主绝缘等。其中防水层为非阻磁绝缘材料，将其简化为空气层。

2.2 激励源的设置

本文采用脉冲高斯函数型激励来模拟电缆接头中的局部放电的激励电流源［18］，高斯函数的公式为:

式中 I0为脉冲电流幅值，σ为衰减时间常数。设电流脉冲幅值为10 mA，t0取 0.5 ns，σ取 0.15 ns。此时的电流脉冲波形如图5所示。

图5 电流脉冲波形图

2.3 电磁仿真分析

复合介质沿面放电是电缆中间接头中最常见的放电类型，因此本文把激励源设置在XLPE绝缘与中间接头内部硅橡胶交界面上［19］，设置的激励源脉冲宽度为1 ns，脉冲的峰值为10mA，位置如图6所示。设置好求解方式、网格设置等后，便可利用HFSS提供的时域仿真器进行时域内的仿真。

图6 激励源位置图

在时域内，当t=1 000 Ps时，电缆接头内及周围的电场分布图如图7所示。

图7 t=1 000 Ps时的电场分布图

磁场分布图如图8所示。

图8 t=1 000 Ps时的磁场分布图

可见此时激励源激发的电磁场刚刚开始传播，并未传播到电缆接头外。接头内激励源附近的电磁场较大。

当t=2 000 Ps时，电缆接头内及周围的电场分布图如图9所示。磁场分别图如图10所示。

图9 t=2 000 Ps时的电场分布图

图10 t=2 000 Ps时的磁场分布图

由图可知，此时电磁场已经通过屏蔽层断开处辐射到电缆接头外。为了确定传感器的具体安装位置，需设置一探测线来观察此线上不同点的电磁场强度。因高频电磁波信号在空间传播过程中会产生较大衰减，信号最强处应靠近电缆接头，因此探测线紧贴电缆接头外壁。结合电缆接头的圆轴形对称结构特点，最后确定的探测线如图6中所示，信号最强处在线上的某一位置。通过此线可得到线上不同位置处的电磁场变化曲线。在设置时取此线上的均匀的5个点，得到的电场、磁场变化曲线如图11、图12所示。

图11 电场变化曲线

图12 磁场变化曲线

由图可知，显示的归一化距离=0的线比其它的线代表的电场分布、磁场分布更强，是传感器的理想安装位置。此线代表点的位置为靠近接地线的一侧、电缆屏蔽层断开处，即探测线的最左处。

通过以上结果可知:电缆接头内部发生局部放电时激发的电磁波能通过电缆中间接头屏蔽层断开处辐射出来，因此可以采用外置式高频微带传感器进行电磁波信号的检测;电缆屏蔽层断开处、靠近接地线的一侧，为传感器的最佳安装位置。

3 现场实测

根据国标GB/T12706.3－2008规定，电缆在投运前需进行交流耐压试验，交流耐压试验成为电力电缆交接和预防性试验的主要手段。而脉冲电流法作为目前较为灵敏的局部放电检测法，早已经成为一种成熟的检测方法，随着交流耐压试验的普及，脉冲电流法也更加广泛地应用到电力电缆局部放电检测中去。而进行交流耐压试验时，试验电压为运行电压的两倍，由于超过了正常运行电压，所以合格的电缆接头也可能发生局部放电，但根据国标规定被试电缆接头产生的局部放电量不应超过10 PC。

为了验证本文的仿真结果，在某电缆线路投运前的交流耐压试验中进行了检测，检测系统分为传统的脉冲电流法检测及基于高频微带传感器的电磁波检测。检测系统原理框图如图13所示。

将传感器安装在仿真所确定的电缆接头的最佳位置，现场安装图如图14所示。

图13 检测系统框图

图14 传感器现场安装图

系统安装完毕后，脉冲电流局部放电检测仪(下文简称局放仪)显示的背景局放量约为1.8 PC，高频电磁检测系统未显示任何明显的脉冲信号。之后进行加压试验，当加到2倍运行电压时，局放仪检测到脉冲信号，显示的放电量约为6.4 PC，高频电磁检测系统检测到局部放电脉冲信号。在最佳安装位置，高频微带传感器测得的波形图如图15所示。

其峰峰值为53.8 mV。传感器在周围其它同样靠近电缆接头外壁但非最佳安装位置处，测得的波形图如图16所示。

其峰峰值为26.9mV。

对比所测结果可知，二者的背景噪声信号基本相同，但传感器在仿真得到的最佳安装位置处测得的局部放电脉冲信号比其它位置更强。

图15 传感器在最佳安装位置所测波形图

图16 传感器在非最佳安装位置所测波形图

4 结束语

本文利用电磁仿真软件HFSS对典型的电缆中间接头构建了三维仿真模型，据此进行了电缆中间接头局部放电的电磁仿真，研究了接头外辐射出的电磁场信号的分布特点。为验证仿真结论，在某电缆线路投运前的交流耐压试验中进行了电磁波检测。结论如下:

1)电缆内部局部放电产生的电磁波可以通过电缆接头屏蔽层断开处辐射出来。

2)在电缆屏蔽层断开处、靠近接地线的一侧，辐射出来的局部放电信号最强，是传感器安装的最佳位置。

［1］姚林朋，王辉，钱勇，等.基于半督导学习的XLPE电缆局部放电模式识别研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39(14):40 －46.

［2］罗翔，蔡金锭，张孔林.基于向量分析法的三相交联电缆局部放电检测与分析识别技术［J］.电力系统保护与控制，2013，41(16):91－96.

［3］陶霰韬，周凯，刘凡，等.XLPE电缆水树缺陷的硅氧烷注入式绝缘修复研究［J］.电工技术学报，2013，28(9):268 －273.

［4］姚林朋，徐颖敏，钱勇，等.基于关联规则的XLPE电缆局部放电模糊识别研究［J］.电工技术学报，2012，27(5):92 －98.

［5］周凯，李旭涛，黄华勇，等.电缆终端安装刀痕缺陷的局部放电特性分析［J］.电力系统保护与控制，2013，41(10):104 －110.

［6］王力，杜伯学，任志刚.高压交联聚乙烯电缆绝缘劣化试验分析［J］.高电压技术，2014，40(1):111 －116.

［7］罗潘，任志刚，徐阳.退役高压交联聚乙烯电缆绝缘老化状态分析［J］.电工技术学报，2013，28(10):41 －46.

［8］COLLINS T P，HOFFMAN L W，GOUDIE J L.Development and evaluation of a new product line of silicone elastomers for high voltage applications［C］//Part2，2000 Annual Report，Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomenon.Victoria，Canada:IEEE，2000:1167－1171.

［9］周远翔，聂琼，姜绿先，等.针尖曲率半径对硅橡胶电树枝老化特性的影响［J］.中国电机工程学报，2008，28(34):27 －32.

［10］郑文栋，杨宁，钱勇，等.多传感器联合检测技术在XLPE电缆附件局部放电定位中的试验研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39(20):84－88.

［11］段乃欣，赵中原，邱毓昌，等.XLPE电缆中局部放电脉冲传播特性的实验研究［J］.高压电器，2002，38(4):16 －18.

［12］姜芸，闵红，罗俊华，等.220 kV电缆接头半导电尖端缺陷的局部放电试验［J］.高电压技术，2010，36(11):2657 －2661.

［13］钱勇，黄成军，陈陈，等.多小波消噪算法在局部放电检测中的应用［J］.中国电机工程学报，2007，27(6):89 －95.

［14］ LEMKE E，GULSKL E，HAUSCHLIOW，etal.Practicalaspectsof the detection and location of PD in power cables［C］.CIGREWG D1.33，Paris，2006:63 －69.

［15］ BOGGSS，DENSLEY JOHN.Fundamentals of partial discharge in the context of field cable testing［J］.IEEE Electrical Insulation Magazine，2000，16(5):13－18.

［16］李长玉.基于超高频法的XLPE电缆附件局部放电检测技术的研究

［17］刘学观，郭辉萍.微波技术与天线［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2001:73 －80.

［18］ DENISSOV D，KOHLER W，TENBOHLEN S，et al.Simulation of UHF PD wave propagation in plug － in cable terminations［J］.IEEE Electrical Insulation，2008，8(6):547－550.

［19］史济康，曹家，袁检，等.XLPE电力电缆中间接头复合介质沿面放电研究［J］.高电压技术，2001，27(4):52－58.

High-frequency Electromagnetic Detection and Optim ization of Partial Discharge of 110 kV Cable Intermediate Heads

ZHANG Yi-long1，LILi-xue1，ZHENG Yi-hui1，WANG Xin1，YU Jian-you2，YANG Jing-bo2
(1.Center of Electrical＆Electronic Technology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China;2.Baishan Power Supply Co.，State Grid Jilin Electric Power Co.，Ltd.，Baishan Jilin134300，China)

Partial discharge of cable intermediate heads is the main cause of XLPE power cable accidents.Therefore，it is necessary to carry research on partial discharge of cable intermediate heads.The shielding layer of cable heads produces shielding effect on highfrequency electromagnetic signal，which attenuates considerably in the process of propagation in the air.Considering the broken shielding layer of the intermediate heads of the three-phase cross-interconnected cable，modeling，simulation and site inspection are conducted for the partial discharge of cable heads.First，a high-frequency structure simulator(HFSS)is used to establish a threedimensional simulation model of cable heads，and an analysis ismade of the strength and distribution characteristics of the highfrequency electromagnetic signals radiated from the disconnected place of the shielding layer of cable heads during partial discharge inside the cable heads.The feasibility of using an externalmicro-strip sensor for detection of partial discharge is verified.Then，a detection line is set up for the electromagnetic field to generate curves showing variations of the electromagnetic field at different positions of the line，amplitudes of different curves are analyzed，and the optimalmounting place of the sensor with the strongest signal is found.Finally，according to the theory ofmicro-strip patch antenna，an externalmicro-strip sensor ismade，electromagnetic wave detection ismade in an AC voltage withstand test of a cable line before its commencement of operation，and the simulation results are verified.

cable intermediate head;partial discharge;detection position optimization;high-frequency structure simulator(HFSS);electromagnetic simulation;electromagnetic detection

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.033

TM247 TM21

A

1000－3886(2015)06－0102－04

定稿日期:2014－12－14

国家自然科学基金(60504010)，国家高新技术863发展计划(2008AA04Z129)，上海市自然科学基金(14ZR1421800)，流程工业综合自动化国家重点实验室开放课题基金(PALN201404)资助

张义龙(1988－)，男，河北衡水人，硕士生，主要研究方向为电力设备在线监测及故障诊断技术。 李立学(1978－)，男，湖北武汉人，博士，讲师，主要研究方向为电力设备在线监测及故障诊断技术。

郑益慧(1971－)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，主要研究方向为电能质量、智能控制技术在电网中的应用等。 王昕(1972－)，男，辽宁沈阳人，博士，副教授，主要研究方向为智能电网;可再生能源的分布式生产、传输、存储和接入技术。［D］.北京:华北电力大学，2005.